CN106525217A - 垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器 - Google Patents

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CN106525217A
CN106525217A CN201611093334.3A CN201611093334A CN106525217A CN 106525217 A CN106525217 A CN 106525217A CN 201611093334 A CN201611093334 A CN 201611093334A CN 106525217 A CN106525217 A CN 106525217A
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闫树斌
张彦军
赵学峰
张志东
崔建功
薛晨阳
张文栋
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

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Abstract

本发明涉及光学领域和微纳系统领域，具体为基于回音壁模式的垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，包括中心环形波导腔，中心环形波导腔四周均匀耦合有方位环形波导腔，中心环形波导腔上还耦合有纳米垂直耦合输入光栅，每个方位环形波导腔上还耦合有纳米垂直耦合输出光栅，每个纳米垂直耦合输出光栅都和光电探测器连接，光电探测器和AD采集模块连接，AD采集模块和FPGA处理器连接，FPGA处理器再与PC机连接。本发明与传统声探测系统相比，解决了传统声探测系统存在的灵敏度低、信号传输损耗大、抗电磁干扰能力差等问题，实现高灵敏度、长探测距离、能够在强电磁干扰等极端环境正常工作的声信号探测。

Description

垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器
技术领域
本发明涉及光学领域和微纳系统领域，具体为基于回音壁模式的垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器。
背景技术
随着MEMS技术的进步，基于MOEMS技术的传感器具备了光学传感器和MEMS技术的特点，具有良好的抗电磁干扰性、环境适应性强、微型化、易集成、低成本、可靠性高等优点，适用于高压变电环境、生化分析、军事等应用中的形变、振动/声信号等的探测和识别。光纤传声器阵列探测是除雷达、光电外对低空慢速小目标和地面目标探测的新型手段，可以满足战场侦察、阵地防护、攻击预警等多方面的应用需求，具备极高的性价比。
现代战争更多的是非对称、高强度的局部战争和特种战争，战场具备复杂的电磁环境、攻击手段更加隐蔽，针对传统雷达和光电探测的防护技术也日新月异，特别是强电磁脉冲、宽频电磁波干扰器等新式装备的应用，使得传统声传感探测装备的探测能力和战场生存能力受到质疑，传统声音传感器由于以电流为载波介质，易于受到外界电磁波的干扰和破坏。此外其探测频率的宽度以及灵敏度均无法满足应用需要。因此研究具备更高抗极端环境干扰能力、更高探测精度和分辨率的新型光纤传声器阵列探测器对未来具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，实现高灵敏度、长探测距离、能够在强电磁干扰等极端环境正常工作的声信号探测。
本发明是采用如下的技术方案实现的：垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，包括多环环形波导腔级联传感单元和高速采集系统，多环环形波导腔级联传感单元包括刻蚀在SOI片上的中心环形波导腔，中心环形波导腔四周均匀耦合有方位环形波导腔，中心环形波导腔上还耦合有纳米垂直耦合输入光栅，每个方位环形波导腔上还耦合有纳米垂直耦合输出光栅，高速采集系统包括光电探测器、AD采集模块和FPGA处理器，每个纳米垂直耦合输出光栅都和光电探测器连接，光电探测器和AD采集模块连接，AD采集模块和FPGA处理器连接。
本发明提出的基于垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，利用回音壁模式光路传输原理，当光信号由纳米垂直耦合输入光栅输入中心环形波导腔，由于中心环形波导腔与周围方位环形波导腔进行耦合，在方位环形波导腔的纳米垂直耦合输出光栅会输出一个光信号，输出的光信号经过光电探测器、AD采集模块和FPGA处理器处理，在PC机上显示，当没有声音信号时，每个纳米垂直耦合输出光栅输出的值相同，当声音信号从某个方向传来时，声音信号会使该方向上方位环形波导腔产生振动，从而影响方位环形波导腔与中心环形波导腔的耦合效率，使得该方位环形波导腔的纳米垂直耦合输出光栅输出信号发生变化，从而实现声音信号定位的功能。
本发明与传统声探测系统相比，解决了传统声探测系统存在的灵敏度低、信号传输损耗大、抗电磁干扰能力差等问题，实现高灵敏度、长探测距离、能够在强电磁干扰等极端环境正常工作的声信号探测。
附图说明
图1为本多环环形波导腔级联传感单元的结构示意图。
图2为高速采集系统的结构示意图。
图中：1-中心环形波导腔，2-方位环形波导腔，3-纳米垂直耦合输入光栅，4-光传输方向，5-纳米垂直耦合输出光栅。
具体实施方式
垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，包括多环环形波导腔级联传感单元和高速采集系统，多环环形波导腔级联传感单元包括刻蚀在SOI片上的中心环形波导腔1，中心环形波导腔1四周均匀耦合有方位环形波导腔2，中心环形波导腔1上还耦合有纳米垂直耦合输入光栅3，每个方位环形波导腔2上还耦合有纳米垂直耦合输出光栅5，高速采集系统包括光电探测器、AD采集模块和FPGA处理器，每个纳米垂直耦合输出光栅5都和光电探测器连接，光电探测器和AD采集模块连接，AD采集模块和FPGA处理器连接。
纳米垂直耦合输出光栅输出的光强信号进入光电探测器，光电探测器将检测到的光强信号送入高速采集系统中的AD采集模块，经由信号调理电路和衰减电路处理后由高速A/D芯片将模拟信号转换为离散的数字信号输出至FPGA进行存储，同时，在FPGA中设计时钟处理单元和存储单元用于控制AD采集模块的采样时序、同步信号和数据存储。PC机通过并行接口与FPGA进行系统程序的调试并控制系统的复位、工作使能、模式选择等，FPGA也将运行状态如存储器的满信号等反馈给PC机，相互配合进行系统的控制；为了保证数据的实时性，PC机通过通用总线对系统的数据进行控制传输和实时显示，完成对光纤声传感阵列信号的高速采集与解调。

Claims (1)

1.垂直耦合光栅芯片级多环波导腔级联矢量高灵敏声传感器，其特征在于包括多环环形波导腔级联传感单元和高速采集系统，多环环形波导腔级联传感单元包括刻蚀在SOI片上的中心环形波导腔（1），中心环形波导腔（1）四周均匀耦合有方位环形波导腔（2），中心环形波导腔（1）上还耦合有纳米垂直耦合输入光栅（3），每个方位环形波导腔（2）上还耦合有纳米垂直耦合输出光栅（5），高速采集系统包括光电探测器、AD采集模块和FPGA处理器，每个纳米垂直耦合输出光栅（5）都和光电探测器连接，光电探测器和AD采集模块连接，AD采集模块和FPGA处理器连接。
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